Изменчивость плюсовых деревьев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в Среднем и Верхнем Поволжье по ISSR-маркерам

Снижение уровня изменчивости селекционных популяций лесных древесных видов, представляющих собой совокупность отобранных плюсовых деревьев, считается одной из ключевых проблем в лесной селекции. Она связана с опасностью потери генетического разнообразия будущих искусственно созданных лесов, а также с риском возникновения инбредной депрессии семенного потомства плюсовых деревьев. Эффективным инструментом для изучения изменчивости, определения  особенностей генетической структуры и степени дифференциации растений являются ДНК-маркеры. Наше исследование направлено на оценку уровня генетического разнообразия и степени дифференциации плюсовых деревьев разного географического происхождения с применением ISSR-маркеров. С использованием шести ISSR-праймеров изучено 270 плюсовых деревьев  из Пензенской области, Чувашской Республики, Республик Татарстан и Марий Эл. Сравниваемые выборки характеризовались разным уровнем генетического разнообразия. Всего для шести ISSR-праймеров обнаружено 215 ПЦР-фрагментов, при этом у разных выборок число амплифицированных фрагментов варьировало от 186 до 201. Основные показатели генетической изменчивости находились в следующих пределах: доля полиморфных локусов 95.7–96.9 %, число аллелей на локус 1.96–1.97, число эффективных аллелей 1.31–1.48, индекс Шеннона 0.291–0.429, ожидаемая гетерозиготность 0.205–0.298. По результатам анализа молекулярной дисперсии (AMOVA) установлено, что 82 % вариабельности ISSRлокусов обнаруживается внутри выборок плюсовых деревьев и только 18 % приходится на изменчивость между сравниваемыми группами деревьев из разных географических районов. Построение UPGMA-дендрограммы показало близость генетической структуры плюсовых деревьев из Пензенской области, Чувашской Республики и Республики Татарстан и обособленность плюсового генофонда сосны обыкновенной из Республики Марий Эл. Результаты исследований указывают на то, что уровень генетического разнообразия, структура генетической изменчивости и характер дифференциации плюсовых деревьев соответствуют ранее выявленным для природных популяций сосны обыкновенной в Среднем и Верхнем Поволжье.

1. Bergman F., Ruetz W. Isozyme genetic variation and heterozygosity in random tree samples and selected orchard clones from the same Norway spruce populations. For. Ecol. Manag. 1991;46(1-2):39-47. DOI 10.1016/0378-1127(91)90243-O

2. Besschetnova N.N., Besschetnov V.P. Variability of morphometrical characteristics of needles at a clonal plantation of plus trees of scots pine (Pinus sylvestris L.). Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selekt sii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2017;21(2):198-206. DOI 10.18699/VJ17.237 (in Russian)

3. Chertov N., Nechaeva Y., Zhulanov A., Pystogova N., Danilova M., Boronnikova S., Kalendar R. Genetic structure of Pinus populations in the Urals. Forests. 2022;13(8):1278. DOI 10.3390/f1308 1278

4. Cipriano J., Carvalho A., Fernandes C., Gaspar M.J., Pires J., Bento J., Roxo L., Louzada J., Lima-Brito J. Evaluation of genetic diversity of Portuguese Pinus sylvestris L. populations based on molecular data and inferences about the future use of this germplasm. J. Genet. 2013;92(2):e41-e48. DOI 10.1007/s12041-013-0241-3

5. Doyle J.J., Doyle J.L. A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue. Phytochem. Bull. 1987;19:11-15

6. Hosius B., Leinemann L., Konnert M., Bergmann F. Genetic aspects of forestry in the Central Europe. Eur. J. For. Res. 2006;125(4):407-417. DOI 10.1007/s10342-006-0136-4

7. Hui-yu L., Jing J., Gui-feng L., Xu-jun M., Jing-xiang D., Shi-lie L. Genetic variation and division of Pinus sylvestris provenances by ISSR markers. J. For. Res. 2005;16(3):216-218. DOI 10.1007/BF02856818

8. Ilinov A.A., Raevskiy B.V. Comparative evaluation of the genetic diversity of natural populations and clonal seed orchards of Pinus sylvestris L. and Picea × fennica (Regel) Kom. in Karelia. Russ. J. Genet. Appl. Res. 2017;7(6):607-616. DOI 10.1134/S2079059717060065

9. Ilinov A.A., Raevsky B.V. Genetic diversity of scots pine trees of different selection categories in plus stands of Karelia. Ekologic heskaya Genetika = Ecological Genetics. 2021;19(1):23-35. DOI 10.17816/ecogen50176 (in Russian)

10. Ilinov A.A., Raevsky B.V. Genetic evaluation by microsatellite loci of Pinus sylvestris L. plus trees. Lesnoy Zhurnal = Russian Forestry Journal. 2023;3:48-68. DOI 10.37482/0536-1036-2023-3-48-68 (in Russian)

11. Kamalov R.M., Peturenko M.Yu., Degtyareva A.P. Variability of indicators of molecular markers in clones of plus trees Pinus sylvestris L. Trudy Sankt-Peterburgskogo Nauchno-Issledovatel’skogo Instituta Lesnogo Khozyaystva = Proceedings of the Saint Petersburg Forestry Research Institute. 2022;3:4-14. DOI 10.21178/20796080.2022.3.4 (in Russian)

12. Khanova E., Konovalov V., Timeryanov A., Isyanyulova R., Rafikova D. Genetic and selection assessment of the scots pine (Pinus sylvestris L.) in forest seed orchards. Wood Res. 2020;65(2):283-292. DOI 10.37763/wr.1336-4561/65.2.283292

13. Koelewijn H.P., Koski V., Savolainen O. Magnitude and timing of inbreeding depression in Scots pine (Pinus sylvestris L.). Evolution.

14. ;53(3):758-768. DOI 10.1111/j.1558-5646.1999.tb05370.x

15. Milyutina T.N., Sheikina O.V., Novikov P.S. Molecular-genetic research of variation in clonal progeny of Pinus sylvestris plus trees using ISSR markers. Khvoynye Boreal’noy Zony = Conifers of the Boreal Area. 2013;31(1-2):102-105 (in Russian)

16. Peakall R., Smouse P.E. GenAlEx 6.5: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research an update. Bioinformatics. 2012;28(19):2537-2539. DOI 10.1093/bioinformatics/bts460

17. Prishnivskaya Ya.V., Nassonova E.S., Chertov N.V., Zhulanov А.A., Vasileva Yu.S., Boronnikova S.V., Kalendar R.N. Genetic diversity within species of two species woody plants populations in Perm Krai. Bulleten Nauki i Praktiki = Bulletin of Science and Practice. 2019;5(4):58-68. DOI 10.33619/2414-2948/41/06 (in Russian)

18. Sannikov S.N., Petrova I.V., Egorov E.V., Sannikova N.S. Searching for and revealing the system of pleistocene refugia for the species Pinus sylvestris L. Russ. J. Ecol. 2020;51(3):215-223. DOI 10.1134/S1067413620030133

19. Sboeva Y., Chertov N., Nechaeva Y., Valeeva A., Boronnikova S., Kalendar R. Genetic diversity, structure, and differentiation of Pinus sylvestris L. populations in the East European Plain and the Middle Urals. Forests. 2022;13(11):1798. DOI 10.3390/f13111798

20. Sheikina O.V. Genetic structure and differentiation of Scots pine (Pinus sylvestris L.) populations in the Middle and Upper Volga Regions. Ekologicheskaya Genetika = Ecological Genetics. 2022a; 20(4):261-270. DOI 10.17816/ecogen110866 (in Russian)

21. Sheikina O.V. Application of molecular markers in forest breeding and seed production in Russia: experience and prospects (review). Vestnik Povolzhskogo Gosudarstvennogo Tekhnologicheskogo Universiteta. Seriya: Les. Ekologiya. Prirodopolzovanie = Vestnik of Volga State University of Technology. Series: Forest. Ecology. Nature Management. 2022b;2(54):64-79. DOI 10.25686/2306-2827.2022.2.64 (in Russian)

22. Shigapov Z.H. Comparative genetic analysis of forest seed plantations and natural populations of Scots pine. Lesovedenie = Russian Journal of Forest Science. 1995;3:19-24 (in Russian)

23. Takezaki N., Nei M., Tamura K. POPTREEW: web version of POPTREE for constructing population trees from allele frequency data and computing some other quantities. Mol. Biol. Evol. 2014; 31(6):1622-1624. DOI 10.1093/molbev/msu093

24. Tarakanov V.V., Kalchenko L.I. Phenetic Analysis of Clonal and Natural Populations of Pinus sylvestris L. in the Altai Territory. Novosibirsk: Acad. Publ. House “Geo”, 2015 (in Russian)

25. Tarakanov V.V., Palenova M.M., Parkinа O.V., Rogovtsev R.V., Tretyakova R.A. Forest tree breeding in Russia: achievements, challenges, priorities (review). Lesokhozyastvennaya Informatsiya = Forestry Information. 2021;1:100-143. DOI 10.24419/LHI.2304-3083.2021.1.09 (in Russian)

26. Tsarev A.P., Laur N.V., Tsarev V.A., Tsareva R.P. The current state of forest breeding in the Russian Federation: the trend of recent decades. Lesnoy Zhurnal = Russian Forestry Journal. 2021;6:38-55. DOI 10.37482/0536-1036-2021-6-38-55 (in Russian)

27. Vasilyeva Y., Chertov N., Nechaeva Y., Sboeva Y., Pystogova N., Boronnikova S., Kalendar R. Genetic structure, differentiation and originality of Pinus sylvestris L. populations in the East of the East European Plain. Forests. 2021;12(8):999. DOI 10.3390/f12080999

28. Vidyakin A.I., Boronnikova S.V., Nechayeva Y.S., Pryshniv skaya Y.V., Boboshina I.V. Genetic variation, population structure, and differentiation in Scots pine (Pinus sylvestris L.) from the northeast of the Russian plain as inferred from the molecular genetic analysis data. Russ. J. Genet. 2015;51(12):1213-1220. DOI 10.1134/S1022795415120133